第九章 基因信息的传递与蛋白质的合成(朱振宇)

（三）DNA模板上启动子是控制转录的 模板上启动子是控制转录的 关键部位
启动子决定转录的起始位点和转录的方向， 启动转录的开始。
二﹑基因转录过程包括三个阶段 ㈠ 转录起始复合物的形成标志转录开始
转录起始复合物：RNA聚合酶（全酶）﹑DNA链和 新链前两个核苷酸。
转录的起始
㈡ 转录空泡是转录延伸阶段的主要形式
细胞内定 位 核仁 核质 核质 线粒体 叶绿体 转录产物 45S- rRNA hnRNA 5S- rRNA、 tRNA、snRNA 线粒体的RNA 叶绿体的RNA
种类 RNA聚合酶 Ⅰ RNA聚合酶 Ⅱ RNA聚合酶 Ⅲ 线粒体RNA 聚合酶 叶绿体RNA 聚合酶
决定转录的特异 性 与转录全过程有 关 结合DNA模板 辨认起始点
• 原核细胞 原核细胞： 编码区 能够转录为相应的mRNA，进而指导蛋 白质的合成的基因区段，在原核细胞中是连续 的。 非编码区 不能转录为mRNA编码蛋白质的区段， 由编码区上游和下游的DNA序列组成。该区不 能编码蛋白质，但有许多调控遗传信息表达的 核苷酸序列，在遗传信息的表达中起重要作用。
• 真核细胞 真核细胞： 由编码区和非编码区两部分组成，编码区 是间隔的、不连续的。 1.断裂基因 断裂基因(split gene) 由若干内含子和外显 断裂基因 子构成的不连续镶嵌结构的结构基因。内含子 内含子 (intron)是指插入在结构基因内部能够被转录， 但不能指导蛋白质生物合成的非编码顺序。外 外 显子(exon)是指在结构基因中能够被转录，并 显子 能指导蛋白质生物合成的编码顺序。
中心法则
第二节 基因转录和转录后加工
一﹑转录过程需要诸多因素参与
转录（transcription）以DNA为模板，RNA聚合酶 催化合成RNA分子的过程。转录的实质就是将DNA的 遗传信息传递给RNA分子。
基因转录的特点： 基因转录的特点： （1）合成RNA的底物是5′-三磷酸核糖核苷 （2）在RNA聚合酶的作用下形成磷酸二酯键 （3）RNA碱基顺序由模板DNA碱基顺序决 （4）被转录的区域都以单链为模板 （5）RNA合成的方向是5′→3 ′ （6）RNA合成中不需要引物
2.外显子－内含子接头 每个外显子和内含子接头 外显子－ 外显子 区的一段高度保守顺序,即内含子5′末端大多数是 GT开始，3′末端大多是AG结束，称为GT-AG法 则。 3.侧翼顺序 第一个外显子和最后一个外显子的外 侧翼顺序 侧的一段不被翻译的非编码区。 4.启动子 启动子（promoter，P）确保转录精确而有效地 启动子 起始的DNA序列。
剪接部位在内含子末端的特定位点，即5′↓GV， AG↓3′。
卵清蛋白基因转录及加工过程
（二）前体tRNA的转录后加工 前体tRNA的转录后加工 tRNA
1. tRNA前体的剪切 2. tRNA前体的化学修饰 3. 3′端加上CCA
tRNA的转录后加工 的转录后加工
（三）核酶参与了rRNA的转录后加工 核酶参与了rRNA的转录后加工 rRNA
1.肽链氨基端的修饰 2.共价修饰 ⑴磷酸化 ⑵糖基化 ⑶羟基化 ⑷二硫键的形成 3.辅助因子的连接和亚基聚合 4.多肽链的水解修饰
㈡ 蛋白质经过靶向运输到特定区域发挥生 物学活性
蛋白质合成后运送到相应功能部位，称为蛋白质的 靶向运输 按功能和去向分成两类： 1.分泌蛋白 由结合于糙面内质网的核蛋白体合成 2.分布于胞质、线粒体及核内蛋白 由游离核蛋白体 合成
mRNA是合成蛋白质的直接模板 (二) mRNA是合成蛋白质的直接模板
• mRNA分子上以5′→3′方向，从AUG开始每三 个连续的核苷酸组成一个密码子，mRNA中的四 种碱基可以组成64种密码子。 64
遗传密码有如下特点: 1.通用性 2.方向性 3.简并性 4.连续性 5.起始密码子和终止密码子
氨基酸的密码表
（三）tRNA是活化和转运氨基酸的工具 tRNA是活化和转运氨基酸的工具
tRNA的二级结构 的二级结构
（四）若干酶类和因子参与蛋白质生物合成
1.氨基酰-tRNA合成酶 氨基酸在组成多肽之前，必须 先经过氨基酰-tRNA 合成酶催化并与其特异的 tRNA结合。 2.转肽酶（transpeptidase） 使大亚基P位上肽酰tRNA的肽酰基转移到A位上氨基酰-tRNA的氨基上， 结合成肽键，使肽链延长。
（四）肽链合成终 止过程
1.终止密码的辨认 2.肽链和mRNA等释出 3.核糖体大小亚基解聚
肽链合成的终止过程
（五）多核糖体循环
在生物细胞内进行蛋白质合成时，每分子mRNA上 同时结合着多个核蛋白体，可以在一条mRNA链上同时 合成多条相同的多肽链，大大提高了翻译的效率。
三﹑肽链合成后进行加工和输送 肽链合成后的加工、 ㈠ 肽链合成后的加工、修饰
靶向输送蛋白的信号序列或成分 靶向输送蛋白 分泌蛋白 内质网腔蛋白 线粒体蛋白 核蛋白 信号肽 信号肽，C端-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-(KDEL序列) N端靶向序列（20～35氨基酸残基） 核定位序列（NLS）（-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-ArgLys-Val-，SV40 T抗原） 过氧化酶体蛋白 -Ser-Lys-Leu-（PST序列） 溶酶体蛋白 Man-6-P（甘露糖-6-磷酸） 信号序列或成分
真核细胞RNA的转录后加工 的转录后加工 真核细胞
四、真核生物转录后的加工 ㈠ hnRNA进行首尾修饰和内含子剪切后转 hnRNA进行首尾修饰和内含子剪切后转 变为成熟的mRNA 变为成熟的mRNA
1. 5′端帽子结构生成 mRNA成熟的真核生物， 其结构5′端都有一个m7GpppG...结构，该结构被称 为甲基鸟苷的帽子。
3.其他因子 其他因子 ①蛋白质因子：起始因子﹑延长因子﹑终止因子等； ②无机离子：如镁离子﹑钾离子等； ③供能物质：如ATP﹑GTP等。
二﹑蛋白质合成的一般过程 ㈠ 氨基酸活化及转运
氨基酸+tRNA+ATP → 氨基酰tRNA +AMP +PPi 氨基酰-tRNA合成酶
㈡ 翻译起始复合物的形成
转录延伸阶段的主要形式是转录空泡（transcription complex）。
转录空泡示意图
㈢ 原核生物的转录终止包括两种方式
1.依赖ρ因子的转录终止 依赖ρ 依赖 2.非依赖 非依赖ρ 2.非依赖ρ因子的转录终止
ρ因子参与的转录终止过程 因子参与的转录终止过程
RNA的发卡结构与转录终止 RNA的发卡结构与转录终止
5.增强子 能增强基因转录的DNA序列，不具有启 增强子 动子的功能，但能增强或提高启动子的活性。 6.沉默子 沉默子（silencer）是负性调节元件，当其结合 沉默子 特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。 7.终止子 具有转录终止的功能。 终止子
二、“中心法则”阐明细胞内遗传信 息流
遗传信息通过DNA﹑RNA 和蛋白质的单向流动，称为 分子生物学的中心法则 （central dogma）。后来发 现逆转录酶能催化以RNA为 模板合成DNA的过程，证明 了遗传信息亦可反向转录， 即从RNA→DNA，这是对中 心法则的有益补充。
• rRNA进行的是自我剪接，表明RNA分子也具有酶 的催化活性。这种有酶催化活性的RNA分子被命名 为核酶（ribozyme）。 • 核酶的发现，对中心法则作了重要补充 • 核酶的发现是对传统酶学的挑战 • 利用核酶的结构设计合成人工核酶
第三节 蛋ห้องสมุดไป่ตู้质的生物合成
一﹑翻译是蛋白质合成过程
将核酸中由4种核苷酸序列编码的遗传信息通过遗传 密码破译的方式解读为蛋白质一级结构中20种氨基酸的 排列顺序的过程叫做翻译。
不对称转录
RNA聚合酶是基因转录的关键酶 （二） RNA聚合酶是基因转录的关键酶
大肠杆菌RNA聚合酶组分和功能 大肠杆菌RNA聚合酶组分和功能 RNA 亚 基 α2 β β′ δ 数 目 2 1 1 1 分子 量 36512 15061 8 15561 3 70263 功 能 真核生物的RNA聚合酶 聚合酶 真核生物的
2. PolyA尾的生成 poly A尾的有无与长短是维 持mRNA 作为翻译模板活性和增加mRNA稳定性的重 要因素。
真核生物mRNA 5′端帽子结构和 端帽子结构和PolyA尾的生成 真核生物 端帽子结构和 尾的生成
3. hnRNA的剪接 hnRNA经转录最初生成的mRNA前体，其分子量 常比成熟mRNA大几倍或几十倍。 剪接作用在所谓剪接体(splicesome)中进行，剪接 体由多种snRNA和几十种蛋白质组成。
DNA链是基因转录的模板 (一) DNA链是基因转录的模板
模板链（template strain）能指引转录生成RNA 的DNA单链模板链，也称有意义链（sense strain） 或Watson 链。编码链（coding strain）相对于模板 链不能指引转录的另外一股DNA单链，又称反义 链（antisense strain）或Crick链。
（一）核蛋白体是肽链合成的场所
• 核蛋白体 由rRNA和几十种蛋白质组成的亚细胞颗 粒，位于胞质内。 可分为两类： 附着于糙面内质网，主要参与白蛋白、 胰岛素等分泌性蛋白质的合成； 游离于胞质，主要参与细胞固有蛋白质的合成。
糙面内织网上的核糖体
真核生物与原核生物核蛋白体成分的比较
核蛋白体大、小亚基上有许多活性蛋白是参与 蛋白质生物合成过程的酶和蛋白质因子 1.mRNA结合位点 2.P位点（peptidyl-tRNA site） 3.A位点（Aminoacyl-tRNA site） 4.转肽酶（transpeptidase）活性部位 5.结合参与蛋白质合成的因子
第九章 基因信息的传递与蛋白质 的合成
transmission of genetic information and protein synthesis
内容
第一节 第二节 第三节 第四节 基因及其功能 基因转录和转录后加工 蛋白质的生物合成 基因表达信息的调控及 应 答
第一节 基因及其功能
一、基因 • 基因（gene）是细胞内遗传物质的最小功能单位， 是负载有特定遗传信息的DNA片段。 • 基因组 (genome) 是指含有一个生物体生存、发育、 活动和繁殖所需要的全部遗传信息的整套核酸。
分泌性蛋白的信号肽形成和靶向运输
第四节 基因表达信息的调控及应用
一﹑基因信息表达受到严密精确的调控 ㈠基因表达调控是发育分化和适应的需要
• 基因表达(gene expression)是指储存遗传信息的基 因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。典 型的基因表达是基因经过转录、翻译，产生有生物活 性的蛋白质的过程。 • 基因调控分为正调控和负调控。
起始阶段指大亚基、小亚基、mRNA和具有 启动作用的起始氨基酰-tRNA聚合为起始复合物 的过程。
• 大肠埃希菌细胞 翻译起始复合物 形成的过程： 1.核糖体30S小亚 基附着于mRNA 起始信号部位 2.30S前起始复合 物的形成 3.70S起始复合物 的形成
大肠杆菌细胞翻译起始复合物的形成
（三）肽链的延长（核蛋白体循环过程） 肽链的延长（核蛋白体循环过程）
真核生物的转录同样可分为起始、延长和终止3 个阶段。与原核生物相比，真核生物转录的主要特 点是： 1.有多种RNA聚合酶分别合成不同类别的RNA 2.有多种类型的启动子为不同的RNA聚合酶所用 3.有多种转录因子 4.真核生物于转录时或转录后有广泛的RNA加工
三﹑初级转录产物经过加工具有活性
初级转录产物(primary transcripts) 是指转录生成的 RNA。其不一定是成熟的RNA分子，常要有一个加 工修饰过程，才能生成成熟的RNA分子。 • 转录后加工(post-transcriptional processing) 即将新 生的、无活性的RNA初级产物转变成有活性的成熟 RNA的过程，也叫RNA的成熟。 •
• 核蛋白体循环（ribosome circulation） 肽链延长在 核蛋白体上连续循环进行，所以这个过程又称核蛋 白体循环 • 每经过一个循环肽链增加一个氨基酸 • 核蛋白体循环包括进位（register）、成肽(peptide formation)、转位(transposition)三个步骤